Ventilación transversal tuneles carreteros

VENTILACIÓN TRANSVERSAL EN TÚNELES CARRETEROS

VENTILACIÓN TRANSVERSAL EN TÚNELES CARRETEROS Contenido

1. Introducción .......................................................................................... 3 2. Sistemas de ventilación transversal .......................................................... 5 2.1. Ventilación Ventilació n transversal Total .............................................................. 7 2.2. Ventilación Ventilació n transversal trans versal Total con pozo central ...................................... 8 2.3. Ventilación Ventilació n Pseudo-transversal Pseudo-t ransversal........................................................... 9 2.4. Ventilación Ventilació n Semitransversal ............................................................... 9 2.4.1. Semitransversal Semitrans versal inyección ................................................. 10 2.4.2. Semitransversal Semitrans versal extracción ............................................... 10 2.4.3. Semitransversal Semitrans versal 2 zonas de inyección-extracción inyección-extr acción ................ 12 2.4.4. Semitransversal Semitrans versal mixta y longitudinal en el tramo t ramo central ...... 13 2.4.5. Semitransversal Semitrans versal con extracción en un solo s olo punto ................. 13 2.4.6. Semitransversal Semitrans versal con zonas de extracción de gran tamaño .....14 3. Equipamiento auxiliar en un sistema sis tema de ventilación ventila ción transversal .................. 15 3.1. Sistemas de ventiladores ven tiladores ................................................................ 15 3.1.1. Ventiladores Ventila dores de chorro...................................................... 15 3.1.2. Axiales de gran potencia ................................................... 16 3.1.3. Centrífugos Centrífugo s ..................................................................... 17 3.2. Control de la l a ventilación .................................................................. 18 4. Condiciones Condi ciones de operación de la ventilación transversal ............................... 19 4.1. En operación normal ....................................................................... 19 4.2. Operación en caso de incendio ......................................................... 20 5. Bibliografía ........................................................................................... 24

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1 . INTRODUCCIÓN La ventilación de un túnel de carretera es una tarea muy importante en condiciones normales de explotación y fundamental en caso de incendio. El objetivo del sistema de ventilación, en condiciones normales es mantener en la zona del túnel de aire fresco el mayor tiempo posible. El objetivo del sistema de ventilación es mantener a los usuarios del túnel en la zona de aire fresco el mayor tiempo posible. Los tipos de ventilación varían desde la natural, hasta la transversal, pasando por la longitudinal y la semitransversal. La elección del sistema de ventilación depende de una serie de factores entre los que se encuentran la longitud del túnel, la intensidad de tráfico que soporta, gastos de explotación, seguridad en caso de incendio, etc. El sistema transversal es el más perfecto, ya que inyecta aire fresco a lo largo del conducto que recorre la totalidad del túnel y se extrae el aire viciado mecánicamente en las secciones donde se encuentra por lo que se produce una verdadera circulación transversal del aire; se emplea en túneles muy largos y congestionados y es el más caro de explotación. Una variante del mismo es la ventilación pseudo-transversal, producida al ser menor el aire viciado aspirado que el aire fresco inyectado, provocando una cierta circulación longitudinal que determina el carácter definido por su terminología. En el sistema semitransversal se inyecta aire por trampillas regularmente repartidas en el techo o en el suelo a lo largo del túnel en el conducto de aire fresco, mientras que el viciado sale o entra por las bocas. Además se encuentra el sistema mixto longitudinal transversal, en los extremos del túnel así  ventilados se aplica el sistema semitransversal y en el centro el sistema longitudinal. Según el sistema de ventilación adoptado, la forma de la obra, el número de vías de circulación, el número y la función de los conductos de aire AV (aire Viciado) sólo, AF (Aire Fresco) sólo o AF en funcionamiento normal pasando a AV en caso de incendio), se pueden adoptar disposiciones muy variable para asegurar la comunicación entre los conductos de aire y el túnel. A continuación (Fig. 1) se acompaña de una relación de diferentes disposiciones posibles para la insuflación y la aspiración de aire fresco (AF) y de aire viciado (AV). Tradicionalmente, cuando el sistema estaba basado en pequeñas aberturas en el techo para extraer los humos situados a lo largo del túnel, esto significaba mantener intacta la estratificación de la capa de humos. Existe una tendencia a situar aberturas de grandes dimensiones mucho más cercanas de tal forma que el sistema se comporte como un sumidero donde se debe centrar la máxima capacidad de extracción en las cercanías del incendio. Para ello se disponen trampillas telecomandadas sobre las que se puede actuar desde el centro de control.

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VENTILACIÓN TRANSVERSAL EN TÚNELES CARRETEROS En los sistemas de ventilación transversales la inyección de aire fresco al nivel de la calzada produce una rotación del flujo longitudinal que contribuye a deshacer la estratificación. Este es el motivo por el que se suele recomendar una reducción de los niveles de inyección del mismo. En los sistemas de ventilación semitransversales reversibles, es fundamental reducir el tiempo de inversión del sistema de la fase de inyección de aire fresco a la de extracción de humos.

Fig 1. Diferentes disposiciones posibles para la insuflación y la aspiración

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2 . SISTEMAS DE VENTILACIÓN TRANSVERSAL Un sistema de ventilación transversal está constituido por un conducto de inyección de aire fresco, construido lateralmente en toda la extensión longitudinal del túnel, el cual abastece a un conjunto de rejillas de inyección de aire fresco conectadas al túnel. Además, dicho sistema y, para efectos de extracción de aire contaminado desde el interior del túnel, cuenta con un falso techo -con celosías celosías de extracción- dispuesto dispuesto en zona superior y a lo largo de toda la extensión longitudinal del túnel; por el cual, el aire es evacuado hasta uno de los extremos del túnel y, desde allí, hasta superficie. Tanto los circuitos de inyección inyecci ón de de aire fresco, fresco, como los circuitos de extracción de aire contaminado, requieren de su correspondiente ventilador inyector y extractor, respectivamente. La ventilación transversal incluye los sistemas que distribuyen el suministro de aire y recogen el aire de escape de manera uniforme a lo largo de la longitud del túnel. Hay varios sistemas, tales como el sistema transversal completa que incluye tanto la oferta como el escape de aire, de manera uniforme la distribución y la recolección. Los sistemas semitransversal o parcial incorporan sólo una, ya sea de alimentación o de escape de aire.

Fig. 2. Sección de túnel para ventilación transversa transversall Un ejemplo, es el túnel carretero del Montblanc, en los Alpes, que comunica Francia con Italia; Italia ; con una longitud de casi trece kilómetros y tráfico en ambos sentidos, posee un sistema de

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VENTILACIÓN TRANSVERSAL EN TÚNELES CARRETEROS ventilación transversal, con los colectores de aire bajo la calzada. El aire limpio se inyecta a nivel de la calzada y el viciado se succiona a nivel de la clave.

VENTILACIÓN VENTILACIÓN TRANSVERSA TRANSVERSAL L       N        Ó       I       C       A      S       R      E       T      S       N      A       E      G       C       N       O       C

POSICIÓN

Fig. 3. Concentración de gases nocivos según la distancia al centro de túnel La concentración de contaminantes se distribuye por el túnel según la figura 3 manteniéndose constante en toda la longitud del túnel y con unos valores dentro del umbral de seguridad.

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Fig. 4. Sección transversal para un túnel con sistema de ventilación transversal

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2.1. VENTILACIÓN TRANSVERSAL TOTAL Un sistema de ventilación transversal total tiene instalados conductos longitudinales de inyección y extracción. El conducto de inyección de aire fresco, dispuesto en el interior y a lo largo de toda la extensión longitudinal del túnel a ventilar, contiene un conjunto de rejillas inyectoras por dónde se inyecta el aire fresco hacia el túnel. El conducto de extracción de aire contaminado, dispuesto en el interior y a lo largo de toda la extensión longitudinal del túnel, por dónde se extrae el aire contaminado desde el túnel hacia el exterior, contiene un conjunto de rejillas extractoras conectadas al túnel.

Fig. 5. Esquema del sistema de ventilación transversal total Tanto los circuitos de inyección de aire fresco, como los circuitos de extracción de aire contaminado, requieren de su correspondiente ventilador inyector y extractor, respectivamente. Los puntos de inyección de aire limpio, de los sistemas transversales, suelen estar en los hastíales del túnel a nivel de la calzada, mientras que los puntos de succión del aire viciado, están en la clave del túnel. A veces también se coloca en los colectores de ventilación, un falso tabique, dividiendo en dos, que se adosa a la clave, de manera que tanto la inyección como la succión se realizan por la parte superior del túnel. El mejor sistema, es el que inyecta aire desde el nivel de la calzada y succiona a nivel de clave, porque el aire resultante en el interior del túnel es más limpio. Como es fácil de deducir, en caso de incendio, el ventilador que succiona será el más vulnerable, puesto que todos los gases calientes generados por el incendio, pasarán a través de él. Esta posible avería dejaría al túnel en ventilación semitranversal ya que los humos saldrían por las bocas. Los expertos recomiendan extraer todo el humo generado en un incendio en una longitud de túnel de 400 m, es decir que el sistema de extracción debe ser capaz de sacar la totalidad del humo en los elementos del dominio establecido en ese espacio limitado, para evitar la propagación propagación del humo a lo largo del túnel.

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VENTILACIÓN TRANSVERSAL EN TÚNELES CARRETEROS Este es probablemente el sistema de ventilación más completo, aunque conlleva los mayores gastos, tanto de instalación como de mantenimiento y explotación. Existen dudas también sobre su capacidad para controlar la velocidad longitudinal del aire (y por consiguiente la nube de humo en caso de incendio) en caso de fuertes diferencias de presión entre bocas.

2.2. VENTILACIÓN

TRANSVERSAL

TOTAL

CON

POZO CENTRAL Este sistema, tiene la ventaja de que, en túneles muy largos y si la orografía lo permite, se pueden colocar varios pozos de extracción, sectorizando así el túnel en tramos de ventilación transversal, quedando estos así independizados del resto del túnel a efectos de extracción de humos. Con unos pozos bien dimensionados, si se produce un incendio, el humo y el calor sólo afectarán a un tramo o sector de túnel, quedando el resto sin problema alguno. Esta ventilación se puede dividir en varios tramos con extracciones e inyecciones de aire intermedias, en este caso el sistema de ventilación puede utilizarse para longitudes de túneles mayores, de hasta 10 km. En general, la eficacia de los sistemas de ventilación transversal para la gestión del humo y el calor, mejora de manera significativa mediante la división del túnel en varias zonas. Esto proporciona proporciona la capacidad para seleccionar la dirección del flujo flujo de aire longitudinal y mover el humo y el calor en la dirección deseada.

Fig. 6. Esquema del sistema de ventilación transversal total con pozo central Con el fin de limitar las pérdidas de carga, estos conductos están divididos transversalmente en tramos independientes de entre 1000 y 1600 m. Este sistema está considerado el más seguro y confortable, es independiente de las influencias meteorológicas, de la velocidad del viento en las bocas de entrada y de la velocidad del aire inducida por los vehículos, a pesar de ello este sistema es el más caro tanto de inversión, como de coste de explotación. Suele utilizarse en túneles de carretera de longitudes medias y altas con altas cargas de tráfico.

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2.3. VENTILACIÓN PSE UDO-TRANSVERSAL UDO-TRANSVERSAL La ventilación pseudo-transversal está basada en la transversal total con la diferencia de que la cantidad de aire extraído es menor que la del aire inyectado, saliendo por las bocas la diferencia entre ambos. Esto permite reducir los gastos de explotación y de construcción al dimensionarse los conductos de extracción para un menor caudal. Sin embargo, la capacidad del sistema de extracción en caso de incendio se ve reducida. En la realidad, cuando se produce un incendio importante, los túneles equipados con este sistema de ventilación transversal, se comportan como si tuvieran un sistema semitransversal, debido a que no consiguen succionar todo el humo que se genera. Los puntos de inyección de aire limpio, de los sistemas pseudo-transversales suelen estar en los hastíales del túnel a nivel de la calzada, mientras que los puntos de succión del aire viciado están en la clave del túnel.

2.4. VENTILACIÓN SE MITRANSVERSAL MITRANSVERSAL En este sistema, aire fresco se inyecta, como en el caso anterior, transversalmente a la marcha de los vehículos, mientras que la extracción del aire viciado se efectúa en el sentido de la corriente circulatoria a lo largo de todo el túnel. La ventilación semitransversal se puede configurar como un sistema de suministro o como un sistema de escape, esta, se utiliza normalmente en túneles de hasta unos 2.000 metros. El aire fresco se inyecta uniformemente a lo largo de todo el túnel, a partir de un canal que se dispone generalmente encima del espacio de tráfico, provisto de pequeñas aberturas regularmente espaciadas. El aire sale o entra del exterior por las bocas.

VENTILACIÓN SEMITRANSVERSAL       N        Ó       I       C       A      S       R      E       T      S       N      A       E      G       C       N       O       C

POSICIÓN

Fig.7. Concentración de gases nocivos según la distancia al centro de túnel

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VENTILACIÓN TRANSVERSAL EN TÚNELES CARRETEROS Gracias a este sistema el humo o aire viciado transita a lo largo de todo el túnel, al igual que con los sistemas de ventilación longitudinales, pero tendrá una concentración menor que en aquellos, puesto que el humo es diluido por el aire limpio que suministran los puntos de inyección. Podemos distinguir 2 tipos según inyectemos o extraigamos aire. Aunque en la mayoría de las circunstancias la extracción-inyección sea reversible.

2.4.1.

Semitransversal inyección

Con este sistema, se mete aire limpio en el túnel, mediante un colector separado de la cavidad del mismo, que conecta varios conductos secundarios a lo largo del túnel que comunican a su vez, con unos puntos de inyección de aire situados en los hastíales del túnel a nivel de la calzada. Los puntos de inyección, suelen ser rejillas colocadas cada cierta distancia a lo largo de todo el túnel. El aire viciado, sale expulsado al exterior a través de las bocas del túnel, a causa de la sobrepresión creada por la inyección del aire.

Fig. 8. Esquema del sistema de ventilación semitransversal de inyección Este sistema, precisa de un potente ventilador que sea capaz de suministrar el caudal de aire limpio necesario. El humo o aire viciado transita a lo largo de todo el túnel con una concentración menor, puesto que el humo es diluido por el aire limpio que suministran los puntos de inyección a través de las rejillas de inyección que comunican con el túnel.

2.4.2.

Semitransversal extracción

Este sistema de ventilación semitransversal funciona extrayendo aire viciado del interior del túnel mediante un colector, independiente de la cavidad del túnel, que abastece varios ramales secundarios, que a su vez comunican con los puntos de extracción de aire del túnel. La diferencia con el sistema de ventilación transversal de inyección está, en que el humo o aire viciado, es extraído en dirección transversal al eje del túnel, mediante un canal paralelo a lo largo de todo el túnel, y el aire fresco entra por las dos bocas del túnel. Esta succión del aire, requiere de un potente ventilador. Como es fácil deducir, en caso de incendio, el ventilador se verá sometido a un esfuerzo considerable, puesto que todos los gases

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VENTILACIÓN TRANSVERSAL EN TÚNELES CARRETEROS calientes generados por el incendio, pasarán a través de él, cabiendo por lo tanto la posibilidad de que se averíe. Este sistema tiene 2 configuraciones posibles según la salida de aire se realice por un pozo central o por los lados del túnel.

2.4.2.1.

Pozo i ntermedio ntermedio

Si las características del terreno permiten la construcción de un pozo en el centro del túnel, se instala un único ventilador que succiona el aire viciado del túnel (no confundir con el sistema de ventilación longitudinal similar). El aire fresco y limpio entra por las bocas del túnel, y el aire viciado se extrae en dirección transversal al eje del túnel y sale mediante un canal paralelo a lo largo de todo el túnel. Al estar en el centro del túnel, la aspiración transversal será mas uniforme.

Fig. 9. Esquema del sistema de ventilación semitransversal de extracción Este sistema presenta la posibilidad de poder realizar un sistema reversible, pudiéndose introducir aire limpio por la clave del túnel y que el aire viciado salga por las bocas del túnel. Pero no podrá invertirse en caso de incendio, y a que se dispersarían los humos por el interior del túnel. Se utiliza en túneles de carretera de longitudes medias con cargas de tráfico no muy altas.

2.4.2.2.

Pozos laterales

Como el anterior sistema, pero con la diferencia de que consiste en extraer aire fresco por los laterales de la calzada de circulación, el cual, es extraído uniformemente a lo largo de todo el túnel por medio de uno o varios canales con lo que el aire viciado saldrá por la parte superior del túnel.

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VENTILACIÓN TRANSVERSAL EN TÚNELES CARRETEROS Fig. 10. Esquema del sistema de ventilación semitransversal de extracción La dirección del flujo de aire de aspiración es transversal al eje del túnel. El aire limpio entrará a través de las bocas del del túnel a causa de la depresión depresión creada por la extracción extracción del aire.

2.4.3. Semitransversal 2 zonas de inyección-extracción En esta configuración, se divide a la mitad el túnel en 2 zonas de ventilación. Las rejillas de cada zona del techo están reguladas para proporcionar un suministro uniforme de aire fresco a lo largo de la zona de inyección. Del mismo modo, se mantiene una extracción uniforme en la zona de extracción. Con esto se consigue que circule un flujo de aire continuo en el túnel. Se consigue sectorizar el túnel en tramos de ventilación transversal, quedando estos así independizados del resto del túnel a efectos de extracción de humos.

Bulkhead  North Fans

Supp lyDuct

Exhaust Duct

South Fans

Fig.11. Esquema del sistema Semitransversal con 2 zonas de inyecciónextracción Con este sistema, se mete aire limpio transversalmente en una zona del túnel, mediante un colector separado de la cavidad del mismo. Y a la vez se extrae el aire viciado por la otra parte del túnel. Parte del aire viciado sale expulsado al exterior a través de las bocas del túnel. Igualmente, parte del aire fresco entra también por las bocas del túnel. La dirección del flujo de aire es controlada por la extracción-inyección de la ventilación semitransversal en cada zona. Este sistema es totalmente reversible y, en caso de incendio, permite guiar el humo en la dirección deseada

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2.4.4.

Semitransversal mixta y longitudinal en el

tramo central Al igual que el anterior, se divide a la mitad el túnel en 2 zonas de ventilación, una de extracción y otra de inyección. Sin embargo en la parte central se instala un sistema de ventilación longitudinal. De esta forma el flujo del aire en el centro fluirá a lo largo del túnel, y en los laterales del túnel tendrá un flujo transversal. La dirección del flujo de aire es controlada por los ventiladores centrales y por la extraccióninyección de la ventilación semitransversal. Este sistema es totalmente reversible y, en caso de incendio, permite guiar el humo en la dirección deseada. Se utiliza en túneles de no demasiada longitud, de hasta 2km en condiciones severas y hasta 5km si las condiciones no son muy severas o si el sentido de circulación es unidireccional.

 North Fans

Supp lyDuct

Exhaust Duct

South Fans

Fig. 12. Esquema del sistema semitransversal y longitudinal en el tramo central En la práctica habitualmente se utilizan ventiladores reversibles, para poder adaptar el sentido de circulación del aire, en función de las necesidades del tráfico, pudiendo así compensar el efecto pistón producido por el paso de los vehículos por el túnel.

2.4.5. Semitransversal con extracción en un solo punto La ventilación semitransversal de extracción en un solo punto “Single Point Extraction” (SPE) es una configuración del sistema de ventilación capaz de extraer grandes cantidades de humo en un lugar específico a través través de grandes aberturas, situadas en el techo del conducto conducto de escape, evitando así la migración extensa del humo.

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Large single point extraction opening

Fig. 13. Esquema del sistema semitransversal de extracción de un solo punto (SPE) Estas aberturas van desde 5 metros cuadrados a 15 metros cuadrados en tamaño y generalmente se encuentra dividida en centros de 9 metros a lo largo del túnel.

2.4.6. Semitransversal con zonas de extracción de gran tamaño El sistema semitransversal con zonas de extracción de gran tamaño

”Oversized exhaust

ports” (OEP) es una modificación de los sistemas de tipo transversal que proporciona proporciona una capacidad de extracción de humos en un punto localizado de un incendio. El concepto consiste en 30 metros cuadrados de gran tamaño escape espaciados en unos 9 metros de distancia (comparable al tamaño normal de espaciamiento de una rejilla de extracción) y diseñado para abrirse completamente cuando se somete al calor de un incendio.

Over versi sized zed exhaust p orts ab ove t he fire zone

Fig. 14. Esquema del sistema semitransversal de puntos de escape gran tamaño (SPE) Mediante el método OEP se obtiene una mejoría significativa en las condiciones de reducción de la temperatura y el humo, en comparación con el sistema de ventilación transversal de base con el tamaño convencional lumbreras de escape. La mejora de OEP es también aplicable a los túneles de tráfico bidireccional.

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3 . EQUIPAMIENTO

AUXILIAR EN UN SISTEMA DE

VENTILACIÓN TRANSVERSAL 3.1. SISTEMAS DE VE NTILADORES NTILADORES El ventilador es una turbomáquina que absorbe energía mecánica en el eje y la emplea en transportar gases a unas presiones suficientemente bajas para poder considerarlo incompresible. El sistema de ventilación habitualmente consta de ventiladores que arrancan o paran de forma automática en función de las medidas de CO, opacidad, condiciones meteorológicas externas al túnel y de las condiciones de tráfico. Existen básicamente 3 tipos de ventiladores: De chorro: utilizados más habitualmente en la ventilación de tipo longitudinal. De álabes (fijos o variables): utilizados en la ventilación de tipo transversal y semitransversal. Centrífugos: Normalmente se emplean para generar grandes presiones con caudales reducidos Los ventiladores se clasifican en función de la dirección del flujo en el rodete como axiales si el flujo sale en la dirección del eje de giro del rodete o centrífugo (de flujo radial) si el flujo sale en dirección normal a aquél. Dentro de los ventiladores axiales existen dos configuraciones diferentes empleadas habitualmente en túneles, los ventiladores axiales de gran potencia y los ventiladores de chorro.

3.1.1.

Ventiladores de chorro

Este tipo de ventiladores son los empleados típicamente para los sistemas de ventilación longitudinal. Estos equipos constan de un núcleo central donde va situado el rodete el cual sirve de soporte a los álabes, fijos, que se acopla el eje de giro del motor eléctrico.

Fig. 15. Esquema de un ventilador de chorro 15

VENTILACIÓN TRANSVERSAL EN TÚNELES CARRETEROS El conjunto se completa con silenciadores que se acoplan a ambos lados del ventilador para reducir el ruido producido. Estos ventiladores pueden ser reversibles o unidireccionales en función del tipo de álabe empleado y la capacidad del motor de invertir su sentido de giro. Los ventiladores se colocan dentro del túnel (habitualmente en el techo, aunque en casos de gálibo reducido se acoplan a las paredes laterales) aportando la energía necesaria al fluido para mover el aire en el interior del túnel. La velocidad de giro de este tipo de ventiladores es normalmente constante y por tanto el caudal impulsado y la cantidad de movimiento aportada. La regulación necesaria se consigue aumentando o disminuyendo el número de ventiladores encendidos simultáneamente.

3.1.2.

Axiales de gran potencia

Los ventiladores axiales de gran potencia son los empleados habitualmente en los sistemas de ventilación semitransversal o completamente transversal. La gran diferencia con los ventiladores de chorro es que ocupan toda la sección del conducto de ventilación, con lo que trabajan según una curva de funcionamiento que relaciona la presión aportada frente al caudal que lo atraviesa.

Fig. 16. Ventiladores axiales de gran potencia Existen varios sistemas de regulación de la curva característica de la instalación aunque los más empleados en la ventilación de túneles son dos: la modificación del ángulo de los álabes del rodete y la regulación de la velocidad de giro del motor mediante variadores de velocidad. O una combinación de ambas. Los rendimientos de este tipo de ventiladores suele ser bastante elevados (80-85%) en su punto de funcionamiento óptimo.

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3.1.3.

Centrífugos

Los ventiladores centrífugos son un tipo de ventiladores radiales. Normalmente se emplean para generar grandes presiones con caudales reducidos por lo que es especialmente utilizado en la ventilación de locales técnicos y refugios de seguridad ya que el caudal a aportar no es grande pero las pérdidas de carga de la instalación es elevada (grandes longitudes de conductos suficientemente pequeños para poder situarlos bajo la calzada)

Fig. 17. Ventiladores centrífugos para ventilación transversal La curva de funcionamiento de estos ventiladores es similar a la de los ventiladores axiales de gran potencia aunque normalmente no requieren emplear sistemas de regulación tan refinados como estos por los que, a lo sumo, se les suele dotar de sistemas de funcionamiento a dos velocidades distintas para cubrir los regímenes de servicio o incendio. Los rendimientos de este tipo de ventiladores son menores que los axiales alcanzándose valores cercanos al 70%.

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3.2. CONTROL DE LA VENTILACIÓN El control de la ventilación físicamente lo realiza el Sistema de Control que por medio de módulos electrónicos de entrada se captan las medidas de los sensores: CO, opacidad, dirección de aire interior en el túnel, condiciones meteorológicas externas, intensidad de tráfico, etc.; y entonces si el sistema está en modo automático, el algoritmo de control decide que ventiladores o grupo de éstos debe arrancar o parar. Detectores de CO: indican los niveles de CO existentes en el túnel y están distribuidos a lo largo del túnel, normalmente entre 150 y 200 mts. Opacímetros: miden el nivel de opacidad que tiene el aire, y se encuentran distribuidos a lo largo del túnel, normalmente entre 400 y 800 mts. Anemómetros

interiores

y

exteriores:

catavientos

y

estaciones

meteorológicas:

indican

respectivamente, las direcciones de las corrientes de aire en el interior y exterior, advierten del estado de las condiciones meteorológicas en el exterior del túnel (velocidades de aire, hielos, etc.) y en consecuencia ayudan a decidir la forma y sentido en el que se arrancan los ventiladores, así como a emitir información de seguridad para el tráfico. Detectores de aforo de tráfico (detectores de espiras, ópticos, etc.): este tipo de sensores informan al sistema de control del estado del tráfico tanto en el interior como en el exterior (retenciones, próximas retenciones, efecto pistón por elevada velocidad, etc.)

Fig. 18. Esquema de control para el sistema de ventilación de un túnel El operador del sistema puede en todo momento efectuar órdenes directas sobre los ventiladores, es decir arrancarlos o pararlos (modo manual). En caso de producirse incidentes, como por ejemplo el de un incendio, el Sistema de Control actúa según un plan establecido y además indica al operador las acciones más aconsejables a realizar.

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4 . CONDICIONES

DE

OPERACIÓN

DE

LA

VENTILACIÓN TRANSVERSAL 4.1. EN OPERACIÓN NORMAL La instalación de ventilación

en condiciones condiciones de operación normal tiene como objetivos:

mantener unas condiciones de salubridad del aire en el interior del túnel aceptables para el usuario, y en el eventual caso de un incendio, ayudar a su extinción eliminando los humos producidos. De forma habitual es el tránsito de vehículos el que degrada la calidad del aire ya que produce: -Gases nocivos para la salud. -Humos que pueden dificultar la visibilidad del conductor. En operación normal el sistema de ventilación se encarga de extraer estos gases y renovar el aire fresco. normal operation

t r  r u  u e  e 

actual value CO < 25 ppm

actual value visibility < 3,5x10-3 m-1

actual value air volicity < 10 m / s

t r  r u  u e  e 

f a l  a l s  s e  e 

re-opening the tunnel

f a l  a l s  s e  e 

controller defines the amount of  je  jet fans to each CO ~ 30 ppm

t r  r u  u e  e  f a  a l s  l s e  e 

k < 7x10-3 m-1 with decreasing tendency

t r  r u  u e  e 

t r  r u e  u e 

CO < 90 ppm with decr easing tendency

t r  r u  u e  e 

controller defines the am unt of  je  jet fans to reach k ~ 3,5x10-3 m-1

f a  a l  ls  s    e  e 

controller defines the amount of  je  jet fans in the opposite di ection

tunnel is closed

f a  a l  ls  s    e  e 

f a  a l  ls  s    e  e 

f a  f a l s  l s e  e 

tunnel still closed

CO 150 ppm as 1 minute average

f a  a l  ls  s    e  e 

t r  r u  u e  e 

k 12x10-3 m-1 as 10 minute ave age

t r  ru e  u    e 

f a  a l s  l s e  e 

CO 100 ppm as 10 minute aver age

t r  r u  u e  e 

closure of the tunnel

Fig. 19. Algoritmo de control de ventilación en operación normal

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VENTILACIÓN TRANSVERSAL EN TÚNELES CARRETEROS Los gases más perniciosos para la salud provenientes de la combustión de los motores de los vehículos son: el Monóxido de Carbono (CO), el Dióxido de Carbono (CO 2) y el Dióxido de Azufre (SO2). Estos gases son producidos según el tipo de vehículo: turismos, camiones, etc.; en mayor o menor medida. De entre ellos se considera únicamente el CO, pues es el que se da en mayor concentración, mientras que los otros dos lo hacen en proporciones muy pequeñas. Los factores a considerar estando en un ambiente donde existe CO son: el tiempo de permanencia bajo su acción y al esfuerzo físico realizado durante dicha permanencia. Basándose tanto en el tiempo de estancia en el túnel (normalmente pequeño), como por el tipo de actividad dentro de él, que prácticamente no se realiza esfuerzo, los valores máximos de concentración de CO recomendados por la PIARC están entre 150 y 250 ppm, por encima de dichos valores el túnel debería cerrarse. El otro factor importante en la degradación del aire es el de los humos provenientes de los motores Diesel, los cuales no son de una toxicidad peligrosa pero pueden reducir sensiblemente la visibilidad (opacidad) en el interior del túnel y de ahí viene su peligrosidad. En consecuencia, habrá que diluirlos aún en el caso de que se dé una concentración pequeña de CO. Los niveles mínimos de visibilidad (coeficiente de extinción del haz lumínico) recomendado por la PIARC están ente 7,5x10-3 y 9x10-3. Habitualmente el sistema de ventilación intentará mantener niveles de concentración de CO por debajo de 60 ppm y de visibilidad de 5x10 -3 y de no estarlo, se pondrá en marcha cuando se superen cualquiera de estos niveles. De forma general, para dimensionar la ventilación del túnel se considera la intensidad de tráfico que va a soportar y se estiman tanto las concentraciones de CO que puedan provenir de los vehículos ligeros, como los humos emitidos por vehículos pesados.

4.2. OPERACIÓN EN CASO DE INCENDIO Desde el punto de vista de la seguridad en caso de incendio, los objetivos a cumplir son los siguientes: •

Mantener controlada la nube de humos lo más lejos posible de los usuarios.

Para conseguirlo debe mantenerse en la medida de lo posible la estratificación estratifica ción de la misma o expulsarla a gran velocidad si las personas situadas aguas abajo del incendio ya han sido evacuadas. •

Evitar la distribución di stribución de los humos a zonas próximas al túnel pero no implicadas implica das en

el incendio (locales técnicos, otro tubo en túneles comunicados, galerías de escape, etc.) •

Ayudar en las tareas de salvamento a los equipos de rescate.

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VENTILACIÓN TRANSVERSAL EN TÚNELES CARRETEROS Tanto para salvar a los usuarios como para facilitar la intervención de los equipos de socorro, el factor más importante es la eliminación del humo, y esto se consigue a partir de una buena utilización de la ventilación. No se puede olvidar que los humos disminuyen la visibilidad y, en estas circunstancias, el peligro de choques entre coches crea pánico y un comportamiento anormal de los usuarios. Cuando existe una instalación de ventilación es necesario disponer de un plan de actuación que se pondrá en marcha en el momento que se reciba la alarma. Este plan entrará en funcionamiento automáticamente con el objetivo de controlar la velocidad del aire, su sentido, la opacidad, de forma que se permita la evacuación de los usuarios con la mayor celeridad y se facilite la llegada de los equipos de socorro. En el caso de ventilación transversal, transversal, en la fase de incendio, durante la fase de funcionamiento funcionamiento automático de la ventilación, es deseable que el caudal de aire fresco alcance un valor comprendido entre 1/3 y 2/3 del de aire viciado en el lugar donde se ha producido el incendio. Después el caudal de aire fresco puede ponerse a su valor máximo con objeto de enfriar la zona. Es aconsejable la realización de ensayos que precisen las actuaciones en estas circunstancias. Desde el punto de vista de seguridad una ventilación transversal total es la mejor solución siempre, aunque las cantidades de humo para las que se diseña no sean suficientes para la eliminación total del mismo. Según las sustancias que se incendian y la magnitud del fuego, las cantidades reales de humo son tan grandes que no es económico construir un sistema de ventilación transversal equivalente. La eliminación del humo es posible también con una ventilación semitransversal, en este caso el humo tiene que ser extraído y no transportado a lo largo del conducto del túnel dedicado a la circulación de vehículos. Las recomendaciones que hace la Asociación Mundial de la Carretera (PIARC) a través de sus comités técnicos, sirven actualmente como referencia de primer orden a la hora de dimensionar una ventilación transversal en un túnel. Es importante considerar estas recomendaciones ya que en estos momentos la mayoría de los diseños están considerando estas normas. Estas recomiendan las siguientes prescripciones: •

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Todos los conductos deben ser completamente estancos Hay que conseguir que la estratificación estratificaci ón de los humos permanezca en las capas superiores el mayor tiempo posible. La velocidad longitudinal del aire debe ser inferior a 2 m/s. En caso de velocidades más altas comienzan turbulencias entre el humo y el aire fresco. Con una velocidad del aire alrededor de 2 m/s, la mayoría del humo se separa a un lado (efecto backlayering) y comienza a avanzar en la sección en una distancia aproximada de 400 a 600m en sentido descendiente al fuego. Puede ser determinante si la detección del fuego no es lo suficientemente rápida.

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VENTILACIÓN TRANSVERSAL EN TÚNELES CARRETEROS •

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Con velocidades prácticamente 0 la estratificaci est ratificación ón puede durar unos 10 minutos, después de este tiempo el humo desciende debido al enfriamiento de los gases. En un sistema transversal, los elementos encargados del aporte de aire fresco a nivel de suelo, inducen una rotación en el aire del interior del túnel que provocan un arrastre de los humos hacia la calzada y por lo tanto rompe la estratificación. estratifica ción. Por este motivo se recomienda sobredimensionar entre 1/2 y 1/3 el aporte de aire fresco y por consiguiente el de extracción. Este dato es muy importante ya que sobredimensiona la instalación de una forma significativa. El cambio de del sistema en estado de confort al estado de incendio debe de hacerse los más inmediato posible, por lo que es prioritario detectar lo antes posible la incidencia. Las compuestas tanto de extracción como de impulsión de aire tienen que ser automáticas, bien mediante motores o mediante electroimanes que detectan el calor y salta un resorte, este último tiene el inconveniente del rearme. Una vez establecido el tipo de incendio para el que se ha dimensionado el sistema, obtendremos una capacidad de generación de humos. Los sistemas de extracción deben de estar dimensionados en exceso para poder extraer la tasa de humo generado.

Qv

Humos

AF

Humos

Aire Fresco

Fig. 20. Propagación del humo en caso de incendio •

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Es importante importa nte detectar la posición exacta del fuego y acotar la zona de trabajo, de esta forma se actuará en la zona donde se está generando el humo y por lo tanto todos los recursos disponibles de extracción de humos potenciarán una zona en concreto, especialmente en túneles largos. El valor recomendado para la extracción se cuantifica según la velocidad longitudinal a través de la sección, se debe de conseguir combatir una velocidad de propagación de humos denominada backlayerin que depende de la carga de fuego y que puede ser aproximadamente entre 3 y 4 m/s. Se recomienda que la entrada de aire fresco sea a nivel de calzada para que el barrido de la sección sea transversal y se desaconseja el aporte de aire por la parte superior.

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VENTILACIÓN TRANSVERSAL EN TÚNELES CARRETEROS incident ventilation

FIRE localization of the fire allocation to the right fire control section freezing the current ventilator status turning off the ventilator with priority „0“

selection of the flow sensor „sensor OK “

false 

next lower priority number of the flow sensors

true 

determination of the flow direction (depending on the prevailing flow)

controller defines the amount of necessary  jet fans

actual flow velocity is in the range of the set value for the flow velocity

true 

keep status

false 

prevailing flow in  direction North 

depending on the determined flow direction

priority and direction defaults for the fire ventilation

prevailing flow in  direction South 

priority and direction defaults for the fire ventilation

Fig. 21. Algoritmo de operación en caso de incendio

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VENTILACIÓN TRANSVERSAL EN TÚNELES CARRETEROS

5 . BIBLIOGRAFÍA Hacar Hodriguez, Fernando (1999) “Caudal de aire fresco para la ventilación de túneles carreteros”

Ingeo Túneles. Tomo 2 .Capitulo 12 Lopez Guarga, Rafael (1999) “Infraestructuras de seguridad. Instalaciones y equipamientos” Ingeo

Túneles. Tomo 4. Capitulo 14 Hinojosa Romero, Francisco Francisco (2007) “Investigación sobre un sistema de control de humos derivados de un incendio en túneles carreteros. Propuesta de soluciones ” Tesis Doctoral. UNED Cáceres Espejo, Enrique Alejandro (2008) “Medidas de protección contra incendios en túneles carreteros ” Universidad de Chile. Alarcón, Enrique (1998) “Técnicas de evacuación de humos y gases en túneles. “Universidad Politécnica de Madrid. Dirección General de Protección Civil. J.A. Komenského (2004) "Axial fans for tunnel ventilation" Clarage Turbo Technology García-Arango, I.; Abella, A.;Hacar, F. (1993) "Incendios en túneles". Ediciones Paraíso, Oviedo, Asturias. Migoya Valor, Emilio (2002) “Modelo zonal para la simulación del movimiento de humos y gases calientes en incendios: aplicación a túneles de carretera ” Tesis Doctoral. Universidad politécnica de Madrid Kashef, A.; Bénichou, N.; Lougheed, G. (2003) “Numerical Modelling of Movement and Behaviour of 

Smoke Produced from Fires in the Ville-Marie and L.-H. – La Fontaine Tunnels” Institute for research in construction. National Research Council Canada

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